(57)【要約】【課題】レーザー照射により電子放出効果が向上しかつこれにより画素間の輝度ばらつきが改善された電界放出表示装置の製造方法等を提供する。【解決手段】互いに対向するカソード基板と蛍光面ガラスとを有し、カソード基板のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ印刷層７から放出される電子が蛍光面ガラスの蛍光体に入射されて発光する電界放出表示装置の製造方法であって、カーボンナノチューブ印刷層７の表面にエネルギー密度に空間的な変調を持たせたレーザービームを照射して、レーザー照射部Ｂとレーザー非照射部Ｃが形成されるようにてカーボンナノチューブ印刷層のカーボンナノチューブの露出と起毛を行う。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向するカソード基板と蛍光面ガラスとを有し、上記カソード基板のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ印刷層から放出される電子が上記蛍光面ガラスの蛍光体に入射されて発光する電界放出表示装置の製造方法であって、上記カーボンナノチューブ印刷層の表面をエネルギー密度に空間的な変調を持たせたレーザービームで照射を行うレーザービームを照射する工程を備えたことを特徴とする電界放出表示装置の製造方法。
【請求項２】
上記カソード基板を形成するために、
基板上にカソード電極、上記カーボンナノチューブ印刷層、絶縁層及び引出電極を順に積層する工程と、
上記カーボンナノチューブ印刷層を露出させるように上記絶縁層及び引出電極に渡って電子通過孔を形成する工程と、
をさらに備え、
上記レーザービーム照射工程において、上記孔を通して上記カーボンナノチューブ印刷層の露出された部分に上記エネルギー密度に空間的な変調を持たせたレーザービームを照射することを特徴とする請求項１に記載の電界放出表示装置の製造方法。
【請求項３】
上記レーザービーム照射工程において、カーボンナノチューブが起毛する閾値以上のエネルギー密度でレーザービームが照射されるレーザー照射部と、レーザービームが照射されない又はカーボンナノチューブが起毛する閾値未満のエネルギー密度でレーザービームが照射されるレーザー非照射部との両方が存在するように空間的に変調されたレーザービームを照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の電界放出表示装置の製造方法。
【請求項４】
上記カーボンナノチューブを上記カーボンナノチューブ印刷層の上面から３μｍ以上１０μｍ以下の高さで起毛させることを特徴とする請求項１に記載の電界放出表示装置の製造方法。
【請求項５】
上記カーボンナノチューブを起毛させる部分でのレーザービームのエネルギー密度が１００ｍＪ／ｃｍ2以上５００ｍＪ／ｃｍ2以下であることを特徴とする請求項１に記載の電界放出表示装置の製造方法。
【請求項６】
上記カーボンナノチューブを起毛させる部分と起毛させない部分の境界の長さＬ(μｍ)と上記カソード基板におけるターンオン電界のばらつきの設定値σ(％)との関係がＬ≧７.２×１０4／σ2を満たし、かつ起毛させる部分において上記カーボンナノチューブが露出した高さの設定値をｈ(μｍ)としたときの１ｍｍ2当たりの境界の長さが１０6／ｈ(μｍ)以下となるように、上記レーザービームの照射を行なうことを特徴とする請求項１に記載の電界放出表示装置の製造方法。
【請求項７】
上記カーボンナノチューブを起毛させる部分をストライプ状又はドット状に形成することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電界放出表示装置の製造方法。
【請求項８】
ドット状の上記カーボンナノチューブを起毛させる部分が六方細密格子状に配列されることを特徴とする請求項７に記載の電界放出表示装置の製造方法。
【請求項９】
上記カーボンナノチューブを起毛させる部分における上記カーボンナノチューブの所望の最大起毛高さと等しい直径を有する円形、上記所望の最大起毛高さと最も長い対角線の長さが等しい多角形、およびこれらの形を組合わせたもの、のいずれかによって形成された空間的変調パターンでレーザービームの照射を行う請求項５ないし８のいずれか１項に記載の電界放出表示装置の製造方法。
【請求項１０】
上記レーザービーム照射工程前に、上記カソード基板の最上部の上記引出電極上にシランカップリング剤をコーティングする工程をさらに備えたことを特徴とする請求項２，３，７，８，９，のいずれか１項に記載の電界放出表示装置の製造方法。
【請求項１１】
電界放出表示装置のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ印刷層にレーザービームを照射してカーボンナノチューブの露出と起毛を行う電界放出表示装置の製造方法であって、
上記カーボンナノチューブ印刷層の表面をカーボンナノチューブが起毛する閾値以上のエネルギー密度でレーザービームを照射してカーボンナノチューブを起毛させる第１照射工程と、上記第１照射工程後にカーボンナノチューブが起毛する上記閾値未満のエネルギー密度でレーザービームを照射する第２照射工程と、を備えたことを特徴とする電界放出表示装置の製造方法。
【請求項１２】
電界放出表示装置のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ印刷層にレーザービームを照射してカーボンナノチューブの露出と起毛を行う電界放出表示装置の製造方法であって、
１ｎｓｅｃ以下、１ａｓｅｃ以上の周期の短パルスのレーザービームの照射により上記カーボンナノチューブ印刷層のカーボンナノチューブの露出と起毛を行う照射工程を備えたことを特徴とする電界放出表示装置の製造方法。
【請求項１３】
上記照射工程において、複数回レーザービームの照射を行い、前後のレーザービームの照射でレーザービームの照射部に重なりがあるようにカソード基板又はレーザービームをずらしながら照射してカーボンナノチューブを自己組織的に周期的に起毛させることを特徴とする請求項１２に記載の電界放出表示装置の製造方法。
【請求項１４】
互いに対向するカソード基板と蛍光面ガラスとを有し、上記カソード基板のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ印刷層から放出される電子が上記蛍光面ガラスの蛍光体に入射されて発光する電界放出表示装置の製造方法であって、上記カソード基板の製造において、
ガラス板上のおもて面にカソード電極を形成する工程と、
上記カソード電極に貫通孔を形成する工程と、
上記カソード電極上に上記カーボンナノチューブ印刷層を形成する工程と、
上記ガラス板の裏面側から上記貫通孔を介して上記カーボンナノチューブ印刷層にカーボンナノチューブを露出、起毛させるためのレーザービームを照射する工程と、
を備えたことを特徴とする電界放出表示装置の製造方法。
【請求項１５】
上記カソード電極形成工程において、ガラスの耐熱温度以下で消失する微細粒が混入されている導電性ペーストを上記ガラス板上に形成し、上記貫通孔形成工程において、上記カソード電極が形成されたガラス板をガラスの耐熱温度以下かつ上記微細粒が消失する温度以上の温度で焼成することを特徴とする請求項１４に記載の電界放出表示装置の製造方法。
【請求項１６】
電界放出表示装置のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ印刷層にレーザービームを照射してカーボンナノチューブの露出と起毛を行う電界放出表示装置の製造装置であって、
上記レーザービームに空間的な変調を持たせるために所定のパターンが形成されたマスクと、
上記マスクを通過したレーザービームを集光させて上記カーボンナノチューブ印刷層に照射させる所定の転写率を有する集光レンズと、
を備えたことを特徴とする電界放出表示装置の製造装置。
【請求項１７】
電界放出表示装置のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ印刷層にレーザービームを照射してカーボンナノチューブの露出と起毛を行う電界放出表示装置の製造装置であって、入射したレーザービームを上記カーボンナノチューブ印刷層に照射する所望の強度分布のレーザービームに変換するホログラム光学系を備えることを特徴とする電界放出表示装置の製造装置。
【請求項１８】
電界放出表示装置のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ印刷層にレーザービームを照射してカーボンナノチューブの露出と起毛を行う電界放出表示装置の製造装置であって、上記カーボンナノチューブ印刷層が形成されたカソード基板に近接して配置され、レーザービームに空間的な変調を持たせるために所定のパターンが形成されたマスクを備えたことを特徴とする電界放出表示装置の製造装置。
【請求項１９】
電子放出部にカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ印刷層を使用した電界放出表示装置の設計方法であって、
電子放出部の１つの電子放出点から生じる電流を、電子放出特性を規定する１つ以上のパラメーターを含んだ数式で規定し、このパラメーターを適当な乱数によって与え、一つの画素内の複数個の電子放出点について合計を取ることにより一つの画素の電子放出特性を求める工程と、
上記電子放出特性を求める工程を繰り返すことにより求められた複数の画素の電子放出特性から画素間の電子放出特性の均一性を計算する工程と、
を備え、計算結果に基づき画素間の電子放出特性の均一性を予測することを特徴とする電界放出表示装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空内で互いに対向配置されたカソード基板から蛍光面ガラスへ電子を放出して表示を行う電界放出表示装置、特にカソード基板の電子放出部にカーボンナノチューブを使用した電界放出表示装置の製造方法及び製造装置並びに設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ(ＣＮＴ：Carbon nanotube)を使用したカソード基板を備えた電界放出表示装置は、高輝度、広視野角、長寿命、高速応答、低消費電力などの特徴を有する薄型表示装置であり、実用化に向けて研究開発が進められている。
【０００３】
電界放出表示装置(ＦＥＤ：Field Emission Displays)は、陰極線管(ＣＲＴ：Cathode Ray Tube)と同じように、加速された電子が蛍光体に当たることで生じる発光を利用した表示装置である。ＣＲＴとの大きな違いは、ＣＲＴが単一の電子銃から発生させた電子ビームを偏光ヨークによりスキャンして画像を表示するのとは異なり、電子銃に相当する部分を小型化し、画素ごとに配置した点である。
【０００４】
ＦＥＤは、電子を放出する電界放出型のエミッタのアレイを形成したカソード基板と蛍光面を形成したアノード基板とを対向させて真空配置した構造を有する。カソード基板には直交したゲート線とカソード線が形成されており、その交点にエミッタアレイが形成される。エミッタは通常、先端の尖った形状に加工される。
【０００５】
先端の尖った形状では電界集中が起こるため、強い電界をかけることができる。固体表面に強い電場がかかると、固体表面に閉じ込められていた電子がトンネル効果で真空中に飛び出し易くなり、いわゆる電界放出が生じる。ＦＥＤにおいては、エミッタから電界放出により生じた電子をアノード基板上の蛍光体に衝突させることにより発光が生じる。
【０００６】
このような装置として、ＣＮＴを含んだペーストをカソード電極上に印刷し、その印刷面にレーザー照射を行うことにより、ＣＮＴ以外の物質を選択的に除去し、ＣＮＴを露出させて電子放出効果を高めた電子放出源がある(例えば特許文献１参照)。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３６２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電界放出は、上述したように先端が尖った箇所に電界が集中しやすいことを利用し、印加された高電界で物質内部の電子をトンネル効果により電位障壁を通過させて真空中に放出させる現象である。一般に電界放出素子については、「先端が非常に先鋭であるため均一に複数作製することが難しい」、「電界放出の電流密度は以下のFowler-Nordheim式で表され、以下のChild-Langmuir式で表される熱電子の電流密度より電界に対する感度が高い」などの理由で、熱電子放出素子に比較して電子放出量の制御が難しい。
【０００９】
【数１】
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【００１０】
このため、ＦＥＤにおいては、それぞれの画素に対するエミッタを同じように作製したつもりでも、高さや先端の曲率などのわずかな違いにより、引出電極に同じ電圧を印加した場合にそれぞれのエミッタから放出される電子の量が異なってしまい、画素間に輝度のばらつきが生じてしまうということが起きる。ＦＥＤの場合、輝度ばらつきを駆動回路などにより補正するのはある程度やむを得ない手段ではあるが、当然ながら、ばらつきが少ない方が回路構成などを簡単にでき、コストを抑えることができる。
【００１１】
一方、上記特許文献１に示されているように、印刷されたＣＮＴ印刷層にレーザー照射することにより、ＣＮＴ以外の成分を除去し、電子放出効率を向上することができる。上記特許文献１においてはＣＲＴの電子銃の電子放出源を想定しており、単一の電子銃から放出された電子をスキャンして各画素に照射するため、画素間の輝度のばらつきは生じない。しかし、ＦＥＤの場合は、前述したように画素ごとにそれぞれエミッタを配しているために、それぞれのエミッタの電子放出効率を向上させるだけではなく、それぞれのエミッタから生じる電子の量を均一にして、画素間の輝度のばらつきをできるだけ小さくする必要がある。しかしながら、レーザーを広い領域で均一なエネルギー密度で照射した場合、広い領域同士で比較すれば比較的均一な電流を得ることができても、小さい面積、例えば０．２ｍｍ×０．６ｍｍ程度の画素レベルの領域同士で比較すると、レーザーの照射結果のわずかな違いから電子放出量に大きなばらつきを生じる。
【００１２】
それゆえ本発明の目的は、ＣＮＴを用いた電界放出表示装置において、主にレーザー照射により電子放出効果が高められると共に画素間の輝度ばらつきが改善された電界放出表示装置の製造方法、製造装置並びに設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、互いに対向するカソード基板と蛍光面ガラスとを有し、上記カソード基板のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ印刷層から放出される電子が上記蛍光面ガラスの蛍光体に入射されて発光する電界放出表示装置の製造方法であって、上記カーボンナノチューブ印刷層の表面をエネルギー密度に空間的な変調を持たせたレーザービームで照射を行うレーザービームを照射する工程を備えたことを特徴とする電界放出表示装置の製造方法等にある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、ＣＮＴ印刷層の表面をエネルギー密度に空間的な変調を持たせたレーザービームで照射してＣＮＴの露出と起毛を行うようにしたため、ＣＮＴの露出と起毛をより効率的にかつより均一に行うことができ、電子放出効果が高められると共に画素間の輝度ばらつきが改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００１６】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係わる電界放出表示装置(ＦＥＤ)の構成の一部を概略的に示す斜視図である。図１のＦＥＤは真空配置されて互いに対向するカソード基板１と蛍光面ガラス２とを有している。カソード基板１はこれの基板であるガラス板３の上に後述するカーボンナノチューブ(ＣＮＴ)印刷層７からなる電子源が形成された基板であり、電子が放出される多数の電子通過孔である電子放出孔４を有している。蛍光面ガラス２は、カソード基板１に対向して間隔を空けて設置されている。蛍光面ガラス２とカソード基板１の間の空間は密閉構造(図示省略)により真空に保持されている。蛍光面ガラス２のカソード基板１側には赤色(Ｒ)に発光する蛍光体５Ｒと、緑(Ｇ)に発光する蛍光体５Ｇと、青(Ｂ)に発光する蛍光体５Ｂとが周期的に塗布されている。
【００１７】
このＦＥＤにおいては、カソード基板１の電子放出孔(電子通過孔)４から電界放出された電子が蛍光体５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに入射し、発光させることにより画像が表示されるが、これらの蛍光体５Ｒ、５Ｇ、５Ｂの１つ１つが画素と呼ばれる画像を構成する最小単位となる(蛍光体５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ１組で１画素と呼ぶ場合もある)。本実施の形態においては１つの画素の大きさは１５０μｍ×４８０μｍであり、図１のＡ部に示すように、１つの画素に対して７つの電子放出孔４が設けられている。なお、電子放出孔４は後述するように、ＣＮＴ印刷層７上面へのレーザービームの照射にも使用される。
【００１８】
図２は図１における１つの電子放出孔４近傍を示す拡大斜視図である。図３は図２のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。図４は図３における領域Ｓ１を拡大して示す断面図である。
【００１９】
主に図２を参照して、ガラス板３(基板)の主表面上に金属薄膜であるカソード電極６が形成されている。このカソード電極６の表面には印刷により所定のパターンに形成されたＣＮＴ印刷層７が印刷されている。カソード電極６はＣＮＴ印刷層７のＣＮＴに所定電圧を印加するためのものである。このカソード電極６上には、絶縁層９を介してＣＮＴ印刷層７と対向するように引出電極８が形成されている。この引出電極８と絶縁層９とは、ＣＮＴ印刷層７と対向する領域の一部に電子放出孔４を有しており、この電子放出孔４からＣＮＴ印刷層７の一部表面が露出している。本実施の形態に示した微細な孔を設けてエミッタのアノード側に引出電極を設ける方式は、平面的にエミッタすなわちＣＮＴ印刷層７の横に引出電極を設ける方式と比較して、ＣＮＴ印刷層表面に均一に電界をかけることができ、ＣＮＴ印刷層７全体を有効に利用することができ、エミッションサイト数(後述の起毛の数)も多くなるため、電子放出効率を向上させることができるとともに、ばらつきを改善することが可能である。
【００２０】
主に図３を参照して、ＣＮＴ印刷層７が電子放出孔４から露出する部分において、ＣＮＴ印刷層７は、ＣＮＴが起毛する閾値以上のエネルギー密度で照射される領域Ｂ(以下レーザー照射部又は照射領域と呼ぶ)とレーザービームが照射されない領域又はＣＮＴが起毛する閾値未満のエネルギー密度で照射される領域Ｃ(以下レーザー非照射部は非照射領域と呼ぶ)とを有している。
【００２１】
主に図４を参照して、ＣＮＴ印刷層７は、ＣＮＴ７ａと、ガラス粒子７ｂと、バインダー７ｃとを有している。ガラス粒子７ｂは、一部が溶融することにより、ＣＮＴ印刷層７とカソード電極６の密着性を高めている。またバインダー７ｃはたとえばガラスの微粒子が溶融したものやＣＮＴをペースト化する際に混入したものの残渣である。
【００２２】
レーザー非照射部Ｃにおいては、ＣＮＴ７ａはガラス粒子７ｂやバインダー７ｃ中に埋設しており、表面に露出しているものは少ない。また、多くは長手方向が水平方向になるように位置しており、表面に露出していても電界集中が起こりにくく、電子放出効率が良くない。一方、レーザー照射部ＢにおいてはＣＮＴ７ａが表面に露出し、さらにめくれあがって起毛しているものも存在する。このＣＮＴ７ａはレーザー非照射部ＣにおけるＣＮＴ印刷層７の上面から３μｍ以上の高さｈ(μｍ)で起毛するように作製されている。
【００２３】
図５は１つの細長い円形の電子放出孔４の拡大平面図であり、レーザー照射の空間的な変調のパターンを示すものである。本実施の形態において、電子放出孔４の短辺方向の寸法は５０μｍ、長辺方向の寸法が１２０μｍ、ＣＮＴ印刷層７は線Ｅと線Ｆに挟まれた領域に形成されており、印刷層７の幅は１１０μｍである。ＣＮＴ印刷層７上においてＢ部がレーザー照射部であり、Ｃ部がレーザー非照射部である。１つのレーザー照射部Ｂは幅１０μｍであり、ピッチＰμｍ(例えば１２０μｍ)で配列することによりストライプ状になっている。
【００２４】
本実施の形態におけるＦＥＤでは、カソード電極６と引出電極８とに所定の電圧が印加されることによって、ＣＮＴ印刷層７の表面に電界が形成される。この際、ＣＮＴ７ａに電界が集中し、ＣＮＴ７ａの先端からトンネル効果で電子が飛び出し、いわゆる電界電子放出が生じる。飛び出した電子が蛍光面ガラス２の蛍光体５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに入射し、発光させることにより画像が表示される。
【００２５】
次に本実施の形態のＦＥＤの製造方法について説明する。図６〜図８は本発明の実施の形態１におけるＦＥＤの特にカソード基板側の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【００２６】
図６を参照して、ガラス基板３の表面上に、金属薄膜よりなるカソード電極６が形成される。カソード電極６の表面上に、ＣＮＴ印刷層７が印刷により形成される。この印刷は、ＣＮＴ、ガラスの微粒子、樹脂、分散剤、溶剤などを含むペーストを所定のパターンでカソード電極６の表面上に塗布したものである。この表面上に絶縁層９が形成される。さらに絶縁層９の上に所定のパターンで引出電極８が形成される。この後、図７に示したように、エッチングにより所定のパターンで電子放出孔４が形成され、ＣＮＴ印刷層７が一部露出する。そしてこの後、ガラスの微粒子がわずかに溶融する程度の温度に加熱焼成され、樹脂や分散剤の大半がなくなると共に、ガラスの微粒子が一旦溶融した後に固化することで、ＣＮＴ印刷層７とカソード電極６の密着性が増す。
【００２７】
この状態における領域Ｓ２では、図９の拡大断面図に示すように、ＣＮＴ７ａの大半はＣＮＴ以外の物質(ガラス粒子７ｂ、バインダー７ｃなど)に覆われている。このため、通常、印刷されたままのＣＮＴ印刷層７からは良好なエミッション特性は得られない。
【００２８】
図８を参照して、電子放出孔４を通して露出したＣＮＴ印刷層７の表面にレーザービーム１０が照射される。このレーザー照射後における領域Ｓ２では、図４の拡大断面図で示すようにレーザー照射により、ＣＮＴ７ａはめくれ上がる形で起毛して露出している。このため、起毛したＣＮＴ７ａで電界集中が起こり易くなりエミッション特性が改善する。この際、上述の特許文献１に記載されているようにＣＮＴを露出させるだけでなく、ＣＮＴをめくれあがらせて高く起毛させると、より電界集中が起こりやすくなり、電子放出効果を高めることができる。
【００２９】
図１０に本実施の形態において、上述のレーザー照射を行う製造装置の構成を示す。ＣＮＴ印刷層７が形成されたカソード基板１はＸＹ軸駆動装置１１上に配置固定される。レーザー発振器１２から出たレーザービーム１０は、コリメーション光学系１３、反射鏡１４を経て、電子放出部処理用マスク１５を通り集光レンズ１６で集光され、集光されたレーザービームがカソード基板１に照射される。電子放出部処理用マスク１５と集光レンズ１６はＺ軸駆動装置１７により駆動され、カソード基板１上でのレーザービームの焦点調整が行われる。
【００３０】
図１１は本実施の形態における、電子放出部であるＣＮＴ印刷層７に空間的に変調されたレーザー照射(以下パターン照射と呼ぶ)を行うための電子放出部処理用マスク１５のマスクパターンの一例である。図１１のマスク上のパターンは集光レンズ１６による転写率を考慮して形成されている。本実施の形態においては転写率が１０分の１であり、ＣＮＴ印刷層７上でのパターンに比較して電子放出部処理用マスク１５上のパターンは１０倍になるように形成されている。このように縮小転写系を用いることにより、電子放出部処理用マスク１５のパターンはＣＮＴ印刷層７上のパターンに比較して大きなパターンになり電子放出部処理用マスク１５の作製が容易になる。また、ＣＮＴ印刷層７表面におけるレーザービームのエネルギー密度より電子放出部処理用マスク１５面におけるレーザービームのエネルギー密度が小さくなり、電子放出部処理用マスク１５への負荷が小さくなる。
【００３１】
また、すべての光学部品をカソード基板から離して設置することができるので、照射時に飛散した物質の影響を少なくすることができる。図５に示したようなパターンでレーザー照射するためには線状のエネルギー密度プロファイルをもつレーザービームを１ラインずつスキャンして照射していくことも考えられるが、本実施の形態のような製造装置を使用することにより、レーザービームを移動して照射するということを繰り返すことなく、同時に広いエリアに対して微細なパターンを照射することができ、効率化を図ることができる。
【００３２】
なお、一度の照射でカバーされる領域がカソード基板１より大きいときは一度のレーザー照射でカソード基板１全面の処理を行うことができるが、一度の照射でカバーされる領域がカソード基板１より小さいときは、レーザー照射とＸＹ軸駆動装置１１によるカソード基板１の位置送りの繰返しにより複数回の照射でカソード基板１全面にパターン照射を行うようにしている。この際、引出電極８にもレーザービームが照射されているが、本実施の形態では引出電極８は所定のエネルギー密度のレーザービームを照射しても破損しない材質のものあるいは後述するような処理を施したものなので問題は生じない。
【００３３】
なお、図１２にはドット状のスポット照射を行うための電子放出部処理用マスク１５のマスクパターンの一例であり、スポットを正三角形の頂点になるように配置したものと、スポットを正方形の頂点に配置したものである。
【００３４】
カソード基板１におけるＣＮＴ印刷層７からの電子放出特性を規定するのはターンオン電界だけではないが、ここでは一つの画素の電子放出特性をターンオン電界の値で代表している。ターンオン電界とは電子が放出され始める電界の値であり、ターンオン電界が小さいほど電子放出特性が良いといえる。本実施の形態においては０．１ｍＡ／ｃｍ2の電流密度が得られる電界の値で定義している。また、電界は引出電極８とカソード電極６との電位差を引出電極８とカソード電極６間の距離で割った値としている。電子放出特性のばらつきはやはりターンオン電界のばらつきで代表しており、ターンオン電界のばらつきσはターンオン電界の標準偏差をターンオン電界の平均値で割り、百分率で表したもので定義している。また、レーザー照射部Ｂとレーザー非照射部Ｃとの境界の長さＬ(μｍ)は１画素当りのレーザー照射部Ｂとレーザー非照射部Ｃとの境界の長さを合計したものであり、図１に示すように１画素が７つの電子放出孔４から構成されている場合には、境界の長さＬは７つの電子放出孔４の各々から露出するＣＮＴ印刷層７の境界の長さの総和である。ＣＮＴ７ａの起毛高さｈは主たる電子放出点となりうるＣＮＴ７ａの高さの平均値であり、具体的には、例えばある境界の長さごとに最も起毛高さの大きいＣＮＴの高さを求め、それらの平均を取ったものである。このサンプリングする境界の長さは主たるエミッションサイトの高さを求めるために、起毛高さの大きいＣＮＴの数倍以上にすることと、画素当たりで数回以上サンプリングできるようにすることが必要であり、本実施の形態では１００μｍとしている。
【００３５】
前記の製造方法におけるレーザー照射は、レーザー照射部Ｂとレーザー非照射部Ｃとの境界の長さＬ(μｍ)とターンオン電圧のばらつきの設定値σ(％)との関係がＬ≧７．２×１０4／σ2を満たし、かつレーザー照射部ＢにおいてＣＮＴ７ａが起毛した高さの設定値をｈ(μｍ)としたときの１ｍｍ2当たりの境界の長さが１０6／ｈ(μｍ)以下となるように行われる。
【００３６】
この後、図１に示すように蛍光体５Ｒ、５Ｇ、５Ｂが塗布された蛍光面ガラス７をカソード基板６に対向して間隔を空けて設置し、真空封止することにより本実施の形態のＦＥＤが作製される。
【００３７】
次に本願発明者らの行ったテストについて説明する。本実施の形態において、ターンオン電圧のばらつきの設定値は６％であったが、レーザー照射部Ｂとレーザー非照射部Ｃとの１画素当りの境界の長さＬ(μｍ)はピッチＰ＝２０μｍの場合、約４０００μｍになっており、ターンオン電界のばらつきのレーザー照射部Ｂとレーザー非照射部Ｃとの境界の長さＬ(μｍ)とターンオン電圧のばらつきの設定値σ(％)との関係は、Ｌ≧７．２×１０4／σ2を満たしている。また、レーザー照射部ＢにおいてＣＮＴ７ａが起毛した高さの測定値ｈは約３μｍであり、１ｍｍ2当たりの境界の長さは１０6／ｈ(μｍ)以下である。
【００３８】
この製造時における図７の工程、すなわちレーザー照射前の領域Ｓ２に示すＣＮＴ印刷層７の表面を電子顕微鏡(ＳＥＭ)で観察したところ、図１３のＳＥＭ写真に示すようにＣＮＴはＣＮＴ印刷層７中に埋もれており、表面から突出していなかった。
【００３９】
また、図８の工程、すなわちレーザー照射後の領域Ｓ２に示すＣＮＴ印刷層７の表面を電子顕微鏡(ＳＥＭ)で観察すると、図１４の２０００倍のＳＥＭ写真および図１５の１００００倍のＳＥＭ写真に示すように、レーザー照射部ＣではＣＮＴはＣＮＴ印刷層７からめくれ上がる形で露出していた。
【００４０】
電子放出効率を向上させるためには、一つの電子放出点からの電子放出量が多く、さらに電子放出点が多いほうが良いため、起毛は高く、多いほうが有利であるが、図１４および図１５に示したように、ＣＮＴはレーザー照射部Ｂとレーザー非照射部Ｃとの境界において最も高く多く起毛することがわかった。レーザーを照射するとガラス粒子７ｂやバインダー７ｃと共にＣＮＴ７ａも飛散するが、飛散する力よりも表面への固着力が強い場合に表面に留まる。境界においてはレーザーが照射されない側で固着力が強いために飛散しかけたＣＮＴ７ａが表面に残り易いことが境界に起毛が高く多く発生する原因である。したがって境界を長く取ることが高い起毛を多くするために必要である。ＣＮＴ印刷層７一面に均一にレーザーを照射したり、例えば１画素につき１つの長方形形状でだけレーザーを照射したりするとレーザー照射部Ｂとレーザー非照射部Ｃとの境界の長さが短くなり、露出するＣＮＴの数を効果的に増やすことはできず、電子放出点の数を効果的に増やすことができない。
【００４１】
図１６はＣＮＴが起毛する高さとターンオン電界の関係を測定した結果を示す図である。図１６より、ＣＮＴが起毛する高さが高くなるに従ってターンオン電界は小さくなるが、起毛高さが２μｍ程度までは効果的にターンオン電圧を低くすることができるため、起毛高さは２μｍ以上にすることが望ましい。さらに望ましくは起毛高さを３μｍ以上にすることが望ましい。
【００４２】
起毛高さの範囲としては３μｍ以上、１０μｍ以下が望ましい。下限の３μｍは、図１６を参照して、３μｍまでは効果的にターンオン電界を小さくすることができ、それ以上では飽和傾向であるためである。上限に関しては、レーザー照射により表面のＣＮＴがめくれるという方法を用いているため、電子放出孔でのＣＮＴの露出しているエリアの長さより高い起毛は原理的に作製することができない。また実質的には７μｍ以上、特に１０μｍ以上で安定して起毛させることは難しい。以上のことから上限は１０μｍ以下とした。
【００４３】
図１７はレーザー照射のエネルギー密度とＣＮＴの起毛高さとの関係を測定した結果を示す図である。この実験は波長の異なる３つのレーザーを用いて行った。いずれのレーザーにおいても、レーザー照射のエネルギー密度が小さ過ぎるとＣＮＴが露出、起毛する高さが小さかった。また、レーザー照射のエネルギー密度が大き過ぎると非常に起毛する高さが大きくなる箇所もあるが、平均としては露出する高さが小さくなった。図１７に示したようにレーザーのパワーを５０〜１０００(ｍＪ／ｃｍ2)、より望ましくは１５０〜５００ｍＪ／ｃｍ2にすると、起毛する高さを安定して制御することができた。安定して起毛させることができる高さは７μｍ程度が上限であった。
【００４４】
レーザーのエネルギー密度の範囲としては１００(ｍＪ／ｃｍ2)以上、５００(ｍＪ／ｃｍ2)以下が望ましい。これは図１７を参照して、ＣＮＴの起毛高さを比較的安定して高い(３μｍ以上)高さに制御することができるため、電子放出特性を十分に良好にしかつばらつきを改善することができるためである。
【００４５】
上記の結果より、本実施の形態においては以降、レーザーの照射パワーを２７０ｍＪ／ｃｍ2にして、起毛したＣＮＴの高さが約３μｍになるように設定した場合について記述する。
【００４６】
本実施の形態においては、図５に示したように電子放出孔４の短辺方向の寸法を５０μｍとし、長辺方向の寸法を１２０μｍとし、ＣＮＴ印刷層７の線幅を１１０μｍとし、１つレーザー照射部Ｂ(ハッチング部)の幅を１０μｍとした。またレーザー照射部ＢのピッチＰは、境界の長さＬを変える目的で数通りのピッチとした。
【００４７】
ピッチの異なるそれぞれのサンプルにおいて画素ごとにターンオン電圧を測定した。図１８は実験の結果得られた境界の長さＬとターンオン電圧のばらつきσとの関係を示す図である。測定の結果、図１８で得られたプロットはおおよそ下式で近似されることがわかった。
【００４８】
【数２】
2005353576.tif 000004
【００４９】
上記式(１)より、回路の能力などから許されるばらつきσに対して、境界長さＬを下式(２)のように設定すれば、ばらつきを許容範囲内に抑えることができる。(２)式についても、実数部分の値はＣＮＴの質や形状などによって若干変更の必要があると思われるが、ばらつきσを改善するためにはレーザー照射部とレーザー非照射部との境界の長さＬを大きくする必要があり、おおむね必要な境界の長さは、許容ばらつきの自乗に反比例するという点は変わらない。
【００５０】
【数３】
2005353576.tif 000005
【００５１】
以上のように、レーザー照射部とレーザー非照射部との境界の長さＬを(２)式のように設定することによってばらつきσを許容範囲内にすることができる。また、ＣＮＴが露出する高さを２μｍ、より望ましくは３μｍ以上に設定することによって、良好なエミッション特性を得つつ、ばらつきσを改善することができる。
【００５２】
また、上記のように、基本的には境界の長さＬは長い方がばらつきσを抑える効果が高いが、長すぎるとＣＮＴの先端が密集することにより電界集中が生じにくくなり、ターンオン電圧が高くなる。ＣＮＴの起毛高さのおおよそ同じ分だけ間隔を離せばこの現象はかなり抑えられるため、境界の長さＬはこの間隔を保つことが必要になり、境界の長さＬには上限が存在する。本実施の形態のようにストライプ状のパターンを用いた場合、単位面積あたりの境界の密度はＣＮＴの起毛高さをｈとすると１０6／ｈ(μｍ／ｍｍ2)が上限となり、この値以下で設定することになる。
【００５３】
なお、本実施の形態においてストライプ状にレーザー照射を行った場合について説明したが、必要な境界の長さが取れれば例えば多数のドット状のパターンなど、別のパターンのレーザー照射でも構わない。この場合も境界の長さＬには上限が存在し、六方細密充填格子配列を用いた場合でも約１０6／ｈ(μｍ／ｍｍ2)が上限となり、この値以下で設定することになる。
【００５４】
本実施の形態では、上述したようにレーザーの照射は、空間的に変調されたレーザーにより照射を行ない、レーザー照射部Ｂとレーザー非照射部Ｃとの境界の長さＬとターンオン電圧のばらつきの設定値σとの関係がＬ≧７．２×１０4／σ2を満たすように行なうことにより、これにより、製造されるＦＥＤのターンオン電圧のばらつきは設定値以内とすることができる。
【００５５】
また、ＣＮＴの起毛高さを２μｍ以上、さらに望ましくは３μｍ以上とすることにより、エミッション(電子放出)特性を十分良好にしたうえで、ばらつきを改善することができる。また、カソード基板の全面からレーザー照射を行う場合においてレーザーの照射のエネルギー密度を５０〜１０００(ｍＪ／ｃｍ2)、より望ましくは１００〜５００(ｍＪ／ｃｍ2)にすることにより、ＣＮＴの起毛高さを比較的安定して高い高さに制御することができるため、電子放出特性を十分に良好にしたうえで、ばらつきを改善することができる。なお、本実施の形態においては、電子放出孔４は１画素当り７つの細長い円形状としたが、電子放出孔４の数も形状もこれに限られるものではない。
【００５６】
実施の形態２．
図１９は本発明の実施の形態２におけるＦＥＤのカソード基板の構成を概略的に示す斜視図である。図２０は図１９の電子放出孔４近傍を示す拡大平面図である。図１９、図２０に示されるように本実施の形態の構成は、電子放出孔４の平面形状が円形であり、１つの電子放出孔４に対して１つのレーザー照射部が形成されている点において実施の形態１の構成と異なる。
【００５７】
図１９を参照して、領域Ｄの部分が１画素分の電子放出孔４に相当し、複数(例えば２１個)の電子放出孔４が１画素として形成されている。また、ＣＮＴの起毛高さは約３μｍである。
【００５８】
図２０を参照して、電子放出孔４はたとえば直径２５μｍの丸孔であり、正方格子配列で配列されている。また電子放出孔４の配列のピッチＰは限定されるものではなく可変である。電子放出孔４から露出したＣＮＴ印刷層７の表面に１つの電子放出孔４に対応して１つのレーザー照射部Ｂ(ハッチング部)があり、その直径はたとえば２０μｍである。なお、これ以外の構成について上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一もしくは相当する構成要素については上記実施の形態と同一の符号を付しその説明を省略する。
【００５９】
本実施の形態によれば、レーザー照射に際してはカソード基板とレーザー照射パターンの位置合わせの上、１つの電子放出孔４に対して１つのレーザー照射部Ｂが形成されている、このため、レーザー照射に際して高い位置精度が要求されるが、１つのレーザー照射部Ｂの直径が電子放出孔４の直径よりも小さいので、引出電極８にレーザービームを照射することなくレーザー照射を行うことができ、引出電極にレーザービームが照射されると引出電極が破損する場合においても適用可能である。
【００６０】
図２１に直径２０μｍの円形のパターンでＣＮＴ印刷層７の表面にレーザーを照射した場合のＣＮＴ印刷層７の表面のＳＥＭ写真の例を示す。図２１からわかるように、実施の形態１と同様にＣＮＴはレーザー照射部Ｂとレーザー非照射部Ｃとの境界において最も良く露出する。図１８に境界の長さＬとばらつきσとの関係を示したが、実施の形態１と同様に本実施の形態においても、おおよそ上記(１)式に従うことがわかる。従って、許容されるばらつきσに対して、境界長さＬを(２)式のように設定すれば、ばらつきを許容範囲内に抑えることができる。
【００６１】
このように本実施の形態においては、引出電極８にレーザービームが照射されることなく、そして許容されるばらつきσに対して境界長さＬを(２)式のように設定すれば、ばらつきを許容範囲内に抑えることができる。なお、本実施の形態においては電子放出孔１つに対しレーザー照射領域は１つとしたが、実施の形態１と同様に例えば図２２に示すように複数であってもよい。
【００６２】
実施の形態３．
図２３は本発明の実施の形態３におけるＦＥＤの電子放出孔部分を示す拡大平面図である。図２３を参照して、本実施の形態の構成は実施の形態２の構成と比較して電子放出孔４の配列のみが異なる。本実施の形態における電子放出孔４の配列は六方細密格子配列(電子放出孔４が正三角形の頂点位置にある)である。なお、これ以外の構成については上述した実施の形態２の構成とほぼ同じであるため同一もしくは相当する構成要素については同一の符号を付しその説明を省略する。
【００６３】
本実施の形態によれば、電子放出孔４およびレーザー照射部Ｂがドット状であり、その配列が六方細密格子配列であるため、電子放出孔４およびレーザー照射部Ｂを高密度で配設することができ、露出されたＣＮＴの密度が高くなるため、良好なエミッション特性が得られるとともにばらつきを効果的に改善することができる。
【００６４】
なお、本実施の形態においては電子放出孔の配列が六方細密格子配列になっており、それに合わせてレーザービームが六方細密格子配列で照射されているが、例えば図２２に示したように電子放出孔４の微細孔内に複数レーザービームがドット状に照射され、そのドット状に照射されたレーザー照射領域Ｂが六方細密格子配列であっても同様にレーザー照射部を増やすことができ、電子放出効率を向上させることができる。
【００６５】
実施の形態４．
図２４は本発明の実施の形態４におけるＦＥＤの電子放出孔部分を示す拡大平面図である。本実施の形態の構成は実施の形態１の構成と比較してレーザー照射部のパターンのみが異なる。レーザー照射部のパターンはドット状で直径が７μｍ、ピッチは１４μｍである。
【００６６】
図２５は実施の形態１においてレーザー照射した際のレーザー照射部Ｂのピッチを２０μｍにしたときに複数の画素(電子放射孔にして７個分)についてＣＮＴの起毛の高さと数の分布を示したものである。高い起毛ほど電界放出を生じやすいため、各画素で最も高い起毛はその画素の電子放出特性の目安となるが、各画素ごとにみると、最も高い起毛の高さは平均的には７〜８μｍであるのに対して、例外的に９〜１０μｍの起毛が生じた画素があることがわかる。ＣＮＴ印刷層７を完全に均一にできないことや、レーザーのエネルギーやその分布を完全には制御できないことからこのように、例外的に高い起毛を持った画素が生じてしまうことがある。このように平均から外れた分布を持つ画素を減らすことでばらつきを小さくすることができる。
【００６７】
図２６は本実施の形態４における複数の画素についてＣＮＴの起毛の高さと数の分布を示したものである。図２４に示したように、本実施の形態においては例外的に大きな起毛を生じることなく最も高い起毛の高さを揃えることができている。前述したようにＣＮＴ印刷層にレーザービームが照射されるとＣＮＴが飛散し、飛散の力よりもＣＮＴ印刷層への固着力が勝った場合、ＣＮＴ印刷層に、特にレーザー照射部とレーザー非照射部の境界に起毛として残る。従って、基本的には一つのレーザー照射部の大きさ(直径、辺、対角線の長さ)よりも高い起毛が生じることはない。本実施の形態はこれを利用して最も高い起毛の高さを均一化し、電子放出特性の均一化を行ったものである。レーザー照射部の一つの大きさとしては、少なくとも、起毛の高さの寸法より大きな領域でレーザー照射した場合において得られる最も高い起毛の高さより小さくする必要がある。より好ましくは、起毛の高さの寸法より大きな領域でレーザー照射した場合において画素ごとに平均的に得られる最も高い起毛高さ以下(本実施の形態においては７μｍ程度以下)にすることが望ましい。また、一つのレーザー照射部の大きさを１μｍ以下にすると起毛しづらくなる上に、前述したように良好な電子放出効果を得るための起毛の高さは３μｍ程度以上にすることが望ましいため、一つのレーザー照射部の大きさも３μｍ程度以上にすることが望ましい。
【００６８】
このように本実施の形態においては、レーザー照射領域がＣＮＴの起毛高さの寸法より大きく設定されているときの起毛の最も高い起毛の高さがＬ１であるとき、起毛するエネルギーの閾値以上の一つの領域が、Ｌ２がＬ１以下の値であるとき、より望ましくはＬ１以下かつ３μｍ以上７μｍ以下であるとしたとき、例えば一辺(長辺)がＬ２以下の四角形(あるいは直径Ｌ２以下の円、これらに類似する図形、さらにはこれらの組合せ)によって形成された空間的変調パターンでレーザー照射を行うことにより、最も高い起毛の高さを揃えられ、画素間の電子放出特性のばらつきを改善することができる。但し、起毛の高さを低く揃えてばらつきを改善する方法であるため、平均的な電子放出孔率はやや劣化することになるため両者のバランスを考慮して実施する必要がある。
【００６９】
なお、本実施の形態においては一つのレーザー照射部の形状は円形であったが、例えば楕円や正方形や六角形あるいはこれらの組合せでも実質的にレーザー照射部の大きさが起毛の高さを制限するように小さくなっていればよい。また、実施の形態においては一つのレーザー照射部の形状としては円形を用いることにより、どの方向に対しても直径以上の起毛が生じないようにした。これに対し、例えば図２７のように一つのレーザー照射部が７μｍ幅のストライプ状のパターンを用いた場合、図面の縦方向でめくれあがった場合は７μｍ以上の起毛が生じる場合があるが、実施の形態１に比較すると最も高い起毛の高さの均一化を図ることができる。
【００７０】
すなわち、レーザー照射部におけるカーボンナノチューブの所望の最大起毛高さに等しい直径を有する円形、所望の最大起毛高さと最も長い対角線の長さが等しい多角形、所望の最大起毛高さに合わせた大きさの径や辺や対角線を有する円や多角形に類似する形、さらにはこれらの形の組合わせたもの、のいずれかの形状の組合せ(以上図示省略)によって形成された空間的変調パターンでレーザービームの照射を行えばよい。
【００７１】
実施の形態５．
図２８は本発明の実施の形態５におけるＦＥＤの構成の一例を示すものである。本実施の形態においては、カソード基板１はガラス板３からなり、ＣＮＴ印刷層７がこの上にライン状に形成されている(実際にはガラス板３とＣＮＴ印刷層７間に挟まれるようにカソード電極が形成される)。引出電極８は直径５μｍの円形の電子放出孔４を複数有しており、ＣＮＴ印刷層７形成後にＣＮＴ印刷層７の上方に空隙をあけて配置される。カソード基板１にエネルギー密度が一様なレーザービームを照射すると、電子放出孔４が設けられた引出電極８が電子放出部処理用マスクとして作用し、ＣＮＴ印刷層７に空間的に変調されたレーザービームを照射することができる。
【００７２】
このように、本実施の形態においては引出電極に設けられた電子放出孔を介してレーザービームを照射することにより、エネルギー密度が均一なレーザービームを使用しても微細なパターンでＣＮＴ印刷層７を照射することができる。本実施の形態においては、均一なレーザービームを引出電極８をマスクとしてＣＮＴ印刷層７に照射したが、引出電極８の電子放出孔４よりも微細な変調を持ったレーザービームを照射するようにしてもよい。
【００７３】
また、引出電極をＣＮＴ印刷層の上部に設ける手段としては、それぞれのＣＮＴ印刷層７の間に例えば図２９に示すようなリブ２０を形成して、その上に引出電極８を配置してもよい。また、本実施の形態においてはＣＮＴ印刷層７をライン状に形成しているがドット状に形成しても同様の効果が得られる。なお、リブ２０を形成して引出電極８を支持する構成は他の実施の形態にも適用可能である。
【００７４】
実施の形態６．
図３０は実施の形態１において図１０で示したものとは別の本発明の実施の形態６におけるレーザー照射を行う製造装置の構成を示す。図３０の装置ではカソード基板１はＸＹ軸駆動装置１１上に固定される。レーザー発振器１２から出たレーザービーム１０は、コリメーション光学系１３、反射鏡１４を経て、ホログラム光学素子(ＨＯＥ:holographic optical element)を用いた電子放出部処理用ホログラム光学系１８を通り、集光レンズ１６で集光され、集光されたビームがカソード基板１に照射される。ホログラム光学系を適切に設計することで、例えば図３１に示すように所望のビーム強度分布を実現することが可能であり、実施の形態１に示した製造装置と同様の照射を実現することができる。電子放出部処理用ホログラム光学系１８と集光レンズ１６はＺ軸駆動装置１７により駆動され、カソード基板１上でのレーザービームの焦点調整が行われる。
【００７５】
ホログラム光学素子は回折を利用してビームの方向、強度を制御するものであり、マスクのように光を遮蔽する部分がないため、一般にレーザービームの利用効率が高い光学系を実現することができる。つまり、レーザー発振器１２の出力が同じ場合、図３０の構成のほうがより多くの面積を同時に照射することができる。もしくは、同時に照射する面積が同じ場合、図３０の構成のほうがより出力の小さいレーザー発振器１２を利用できるという効果を有する。但し、ホログラム光学素子は高価であるため、度々仕様変更が発生する場合には用いないのが一般的である。
【００７６】
実施の形態７．
図３２は実施の形態１および６とは別の本発明の実施の形態７におけるレーザー照射を行う製造装置の構成を示す。図３２の装置ではカソード基板１はＸＹ軸駆動装置１１上に固定される。レーザー発振器１２から出たレーザービーム１０は、コリメーション光学系１３、反射鏡１４を経て、集光レンズ１６で集光され、均一なビームとしてカソード基板にほぼ密着して設置される電子放出部処理用マスク１５に入射する。集光レンズ１６はＺ軸駆動装置１７により駆動され、焦点調整が行われる。電子放出部処理用マスク１５に適当なパターンを形成することで、実施の形態１と同様に所望のパターンでＣＮＴ印刷層を照射することができる。
【００７７】
通常、微細なストライプやドットのパターンでのレーザービームをＣＮＴ印刷層７に照射する場合、縮小転写が行われる。縮小転写を行う場合には焦点を調整する必要があるが、例えばカソード基板１の反りなどが発生した場合、ピントがずれ、所望のレーザー照射パターンを得ることができない。
【００７８】
本実施の形態においては、電子放出部処理用マスク１５は例えばマスク用の薄いガラス板に所望の薄膜マスクパターン１５ａを形成したものからなる。これにより電子放出部処理用マスク１５とカソード基板１上のＣＮＴ印刷層とがほぼ密着した互いに近接した構造となっているために、カソード基板１のたわみなどによる焦点ずれによる照射パターンへの影響も抑制することができる。但し、電子放出部処理用マスク１５はカソード基板１に密着した状態で使用されるので飛散物が付着するため、照射の都度に洗浄などで飛散物を除去する必要が生じる。また、レーザービームのエネルギー密度は電子放出部処理用マスクがダメージを受けない範囲の小さな値で行う必要がある。
【００７９】
実施の形態８．
以下、本発明の実施の形態８における製造方法について説明する。レーザー照射によりＣＮＴを起毛させる際に、一部のＣＮＴのアモルファスカーボン化や不純物の付着が原因と考えられるが、電子放出効率が十分でない場合がある。図３３は実施の形態１と同様に空間的に変調されたエネルギー密度２００(ｍＪ／ｃｍ2)のレーザービームで照射した後、もう一度２００(ｍＪ／ｃｍ2)以下のエネルギー密度を持つ均一なレーザービームで照射を行いターンオン電界の平均値とターンオン電界のばらつきがどのように変化するか調査した結果である。照射エネルギー密度が０(ｍＪ／ｃｍ2)の場合のプロットは２度目の照射を行わなかった場合であり、このときターンオン電界は約２．１Ｖ／μｍである。これに対してもう一度２００(ｍＪ／ｃｍ2)で照射を行った場合は、再照射で新しい起毛も発生するが１回目の照射で発生した起毛を壊すことになり、ターンオン電界は微増している。しかし、２回目のレーザー照射のエネルギー密度を減らすにつれて徐々にターンオン電界が小さくなることがわかる。特に１００(ｍＪ／ｃｍ2)程度以下のときに効果が大きく、これは、本実施の形態のＣＮＴ印刷層で起毛が生じる閾値は約１００(ｍＪ／ｃｍ2)であるため、１００(ｍＪ／ｃｍ2)程度以下で照射することにより始めの照射で生じた起毛を壊すことなく不純物を除去しているものと考えられる。図３３からターンオン電界が小さいときはターンオン電界のばらつきも小さくなっていることがわかる。これは、本実施の形態においてターンオン電界が小さくなっているときにはエミッションサイトの数が増大しているために、統計的な効果でばらつきが減少するためである。
【００８０】
このように、ＣＮＴが起毛する閾値以上のエネルギー密度でのレーザー照射によりＣＮＴを起毛させた後、そのエネルギー密度以下、より好ましくはＣＮＴが起毛する閾値未満のエネルギー密度でレーザー照射を行うことにより、電子放出効率を向上させ、かつそのばらつきを改善することができる。
【００８１】
本実施の形態においては、１回目のレーザー照射以降の照射回数は１回であったが、1度目の照射エネルギー密度より小さいエネルギーで複数回(多い回数)照射すると更に、電子放出効率およびそのばらつきが改善する場合がある。また、本実施の形態においては、１度目のレーザー照射は空間的に変調されたものであったが、均一なエネルギー密度で照射されたものであっても、電子放出効率の向上およびばらつきの改善に効果がある。
【００８２】
実施の形態９．
以下、本発明の実施の形態９における製造方法について説明する。通常、溶接や穴あけ加工に用いられるレーザーのパルス幅は数十ｎｓｅｃ程度である。しかし、近年ピコ秒、フェムト秒の短パルス幅が可能になり、研究、応用が進んでいる。一般に、短パルス幅でレーザー照射した場合と、通常のパルス幅にレーザー照射した場合と比較して、熱による影響が少ないことや、レーザーの強度プロファイルに一致した加工深さのプロファイルが得られることが言われている。
【００８３】
図３４にパルス幅とエネルギー密度を変化させて実施の形態１と同様にレーザー照射を行った場合のレーザーのエネルギー密度とターンオン電界の関係を示す。図３４からパルス幅が小さくなるにつれてターンオン電界が最小をとるエネルギー密度が小さくなることがわかる。ターンオン電界の最小値は、１ｎｓｅｃ以下の短パルスレーザー、より好ましくは１００ｐｓｅｃ以下の短パルスレーザーを用いることにより、小さくすることができ、電子放出特性を向上させ、ばらつきを改善することができる。これは、短パルスのレーザーを適当なエネルギーで照射することにより、カーボンナノチューブを起毛するだけではなく、熱の影響が少ないためカーボンナノチューブのアモルファス化を防ぐことができ、しかも照射前に付着している不純物を取り除くことができるためであると考えられる。また、短パルスレーザーにおいては強度プロファイルに一致した加工深さプロファイルが得られやすいが、起毛の形状も比較的プロファイルに応じたものにやりやすい。このため、照射領域ごとの起毛形状が均一化される。このように、エミッションサイトの数が増え、しかも起毛が均一化されるために、ばらつきの改善を図ることができる。また、本実施の形態においては、レーザー照射は空間的に変調されたものであったが、均一なエネルギー密度で照射されたものであっても、電子放出効率の向上およびばらつきの改善に効果がある。
【００８４】
なお、短パルスレーザービームのパルス幅範囲としては１ｎｓｅｃ以下、１ａｓｅｃ以上が望ましい。上限の１ｎｓｅｃについては図３４より、１ｎｓｅｃ以下で効果が顕著に現れるためであり、下限の１ａｓｅｃ(アト秒)についてはこれ以下のパルス幅を実用的に実現できるレーザーが現段階ではないことに基づく。
【００８５】
実施の形態１０．
以下、本発明の実施の形態１０における製造方法について説明する。フェムト秒レベルのパルス幅のレーザーの偏向光を同一箇所が何度か重ね打ち(照射)されるように試料すなわちＦＥＤのカソード基板またはレーザーをスキャンしながら照射すると、自己組織的にレーザーの波長程度の周期の凹凸ができる場合があることが知られている。１００ｆｓｅｃのパルス幅で、エネルギー密度を変化させながら、実施の形態１のように同一箇所は１回しか照射しない場合と、カソード基板を８０μｍ／ｓｅｃでスキャンしながら、幅約４０μｍのストライプ状のレーザービームを１０Ｈｚで照射することにより同一箇所が５回照射される場合について実験を行った。図３５にその際のレーザービームのエネルギー密度とターンオン電界の関係を示す。レーザーの重ね打ち(多重照射)により起毛が壊される影響であると考えられるが、スキャンして照射した場合の方がターンオン電界の最小値はやや高かった。図３６にそれぞれの場合についてターンオン電界とばらつきの関係を示す。スキャンして照射した場合の方がばらつきが小さく、これは連続的な起毛を作製できたことによる効果と考えられる。本実施の形態においては明確に周期的な起毛は作成することができなかったものの、連続的な起毛は作製できた。レーザー照射前のＣＮＴ印刷層の平面度がもっと高ければ明確な周期的な起毛を作製することができ、さらにばらつきを改善できると考えられる。このように、照射工程において、複数回レーザービームの照射を行い、前後のレーザービームの照射でレーザービームの照射部に重なりがあるようにカソード基板又はレーザービームをずらしながら照射することにより、カーボンナノチューブを自己組織的に周期的に起毛させる。周期的な起毛を作製することにより、規則的に均一な起毛を作製することができ、電子放出特性(エミッション特性)の均一化を図ることができる。
【００８６】
実施の形態１１．
図３７に従って本発明の実施の形態１１におけるＦＥＤの製造方法を説明する。図３７に示すように本実施の形態においては、引出電極８の上部にシランカップリング剤層１９が形成されている。ＣＮＴ印刷層はエネルギー密度２００(ｍＪ／ｃｍ2)で一つの電子放出孔４より広い範囲でレーザー照射を行うが、引出電極８に直接レーザービームが照射されると引出電極に剥離を生じる場合がある。そこで、絶縁層９への密着性を高めてレーザーが直接、引出電極８に当っても引出電極の剥離が生じないようにシランカップリング剤層１９が形成されている。
【００８７】
このように引出電極の上部にシランカップリング剤層を設けることにより、レーザーの照射部が電子放出孔の中だけになるように正確に位置合わせすることなく、広い範囲を照射することができる。
【００８８】
実施の形態１２．
図３８〜４０に従って本発明の実施の形態１２におけるＦＥＤの製造方法を説明する。図３８は本実施の形態におけるＦＥＤのガラス板上に形成されたカソード電極の構成を示す概略平面図である。図３９は図３８のＧ−Ｇ線に沿う概略断面図である。図３８および図３９を参照して、本実施の形態の構成においては、ガラス板３上に形成されたカソード電極６に多数の微細なカソード電極６を貫通する貫通孔６ａが形成される。
【００８９】
本実施の形態において、カソード電極６は金属薄膜であり、多数の微細な貫通孔６ａはフォトリソグラフィー技術を利用してエッチングにより形成される。図４０に示すようにカソード電極６の上にＣＮＴ印刷層７が形成された後にガラス板３の背面からレーザー照射することにより、カソード電極６をマスクとして利用してＣＮＴ印刷層７にレーザー照射部とレーザー非照射部とを形成することができる。レーザー照射部とレーザー非照射部との境界ではやはりＣＮＴが特に良く露出するため、電子放出効率を向上することができるとともに、ばらつきを改善することができる。
【００９０】
上述のように、通常、微細なストライプやドットのパターンでのレーザービームをＣＮＴ印刷層７に照射する場合、複雑な構造の光学系が必要になるとともに縮小転写が求められる。縮小転写を行う場合には焦点調整が必要になり、ガラス基板１の反り、傾きなどが発生した場合、焦点ずれが発生し、所望のレーザー照射パターンを得ることができない。本実施の形態においては、レーザーをガラス板３の背面より照射することで、カソード電極６を電子放出部処理用マスクとして利用でき、マスクとＣＮＴ印刷層７とが接触した構造となっているために微細パターンを容易に形成でき、ガラス板３のたわみなどによる焦点ずれの発生も抑制することができる。
【００９１】
実施の形態１３．
本実施の形態１３では、カソード電極６に多数の微細な貫通孔を形成する方法のみが実施の形態１２と異なり、そのほかは実施の形態１２と同様である。本実施の形態においては、カソード電極６は、有機系材料であるＰＭＭＡ(ポリメタクリル酸メチル)の直径３μｍの球(図示省略)を混入した導電性ペーストをガラス板３上に印刷又は塗布することにより形成される。このＰＭＭＡの微細粒はガラスの耐熱温度(融点温度)以下で消失する。混合の重量比は導電性ペースト：ＰＭＭＡ＝１０：１である。カソード電極６が印刷されたガラス板３は乾燥され、その後、ガラスの耐熱温度以下かつ微細粒が消失する温度以上の温度で焼成される。このとき有機材料であるＰＭＭＡは消失し、微細な貫通孔(図示省略：図３８の６ａに類似)が多数個形成されたカソード電極が形成される。
【００９２】
本実施の形態においては、フォトリソグラフィー技術を用いないので、低コストで微細孔を形成することができる。また孔を形成するための材料としてＰＭＭＡを用いているが、ＰＭＭＡでなくてもガラス基板の耐熱温度以下で消失する材料であれば同様の効果が期待できる。
【００９３】
実施の形態１４．
図４１〜４４に従って本発明の実施の形態１４におけるＦＥＤの設計方法を説明する。上述したように、ＣＮＴ印刷層にレーザー照射を行った場合、レーザー照射部とレーザー非照射部の境界でよくＣＮＴが露出、起毛するので、起毛の高さと境界の長さ、すなわちエミッションサイトの数を多くすれば電子放出効率を向上し、ばらつきを改善することができる。しかし、レーザー照射部とレーザー非照射部の境界だけではなく、例えばレーザー照射部全面において比較的均一に起毛させる条件や、レーザー照射部の中央において起毛させるような条件がある可能性がある。本実施の形態は、境界に限らず、ある程度ランダムに露出、起毛しているＣＮＴ印刷層の電子放出特性とそのばらつきを予測し、設計する方法を示す。
【００９４】
第１に実験的にもしくは理論的に一つのエミッションサイトの電子放出特性を式で規定する。本実施の形態においてはFolwer-Nordheim式をベースとした(３)式で規定している。エミッションサイトの高さＨはエミッションサイトごとに変化するランダムな値として扱われる。
【００９５】
【数４】
2005353576.tif 000006
【００９６】
第２に、エミッションサイトの高さに対応したエミッションサイトの数の分布を求める。本実施の形態においては、高さＨにおけるＣＮＴの本数は正規分布に従うと仮定して、画素ごとの起毛の総数をＮ、起毛の高さの平均値Ｈave、起毛高さの標準偏差σHとし、(４)式のように設定した。また、起毛の総数ＮもσNを標準偏差とする正規分布に従い画素ごとに変化するランダムな値として扱われる。
【００９７】
【数５】
2005353576.tif 000007
【００９８】
第３に、ある電界Ｅにおける電流値Ｉを(５)式により求める。
【００９９】
【数６】
2005353576.tif 000008
【０１００】
乱数により、Ｎを一つ、ＨをＮ個発生させ、電界Ｅについて連続的に(５)式を求めることにより、一つの画素のエミッション特性を求めることができる。従って、乱数により複数の画素のＮとＨを発生させ、それぞれの画素に対してエミッション特性を求めれば、画素の平均的な電子放出特性および画素間のばらつきを求めることができる。本実施の形態においては起毛の数Ｎと起毛の高さＨは正規乱数により発生させる。
【０１０１】
図４１は画素ごとのエミッションサイト数の平均値Ｎaveを変化させてターンオン電界の計算(ターンオン電界平均値)を行った結果であり、図４２はこのときのターンオン電界のばらつき(ターンオン電界標準偏差)を求めた結果である。起毛高さの平均値Ｈaveを３μｍ、５μｍ、７μｍの３通りで計算し、高さのばらつきσHはいずれの場合においても０.８μｍとした。エミッションサイトの個数のばらつきσNはそれぞれの場合においてエミッションサイト数の平均値の１０％とした。図４１と図４２から、エミッションサイトの数を大きく、起毛の高さを高くした方が、電子放出特性を向上させ、ばらつきを改善する上で有利であることがわかる。
【０１０２】
また、図４３に起毛の高さの標準偏差を変化したときの、ターンオン電界の平均値とそのばらつき(ターンオン電界標準偏差)を求めた結果をしめす。図４３においては、Ｎave＝１００００、σＮ＝１０００、Ｈave＝７μｍで計算している。図４３から、高さの標準偏差が小さい方がターンオン電界のばらつきが小さくなることがわかる。
【０１０３】
さらに、図４４に起毛の数の標準偏差を変化したときの、ターンオン電界の平均値とそのばらつき(ターンオン電界標準偏差)を求めた結果を示す。図４４においては、Ｎave＝１００００、Ｈ＝７μｍ、σH＝０.８μｍで計算している。図４４から、起毛の数の標準偏差が小さい方がターンオン電界のばらつきが小さくなることがわかる。
【０１０４】
本実施の形態の方法は、乱数を使用するため、乱数を発生する初期値などにより得られる結果が異なるので、解が比較的安定したものか否かなどを確認する必要がある。本実施の形態においては１００画素分のエミッション特性を求め、ターンオン電界の平均値と標準偏差を得ているが、乱数発生のための初期値を変化しても結果に大きな差は生じなかった。
【０１０５】
これまで、エミッションサイトの数をどれだけ増やせば、ばらつきがどの程度まで軽減できるかという検討は実験データによる外挿しか手段が無く、また、どれだけの高さで、どれだけ高さを揃えれば、ばらつきがどの程度軽減できるかということは設計の手法がなかったが、本実施の形態のように行えば定量的に予測、設計を行うことができる。本実施の形態ではある分布をもってランダムに発生するパラメーターとしてＣＮＴ起毛の数と高さを設定したが、必要であれば他のパラメーターも導入すればよい。導入するパラメーターとしては、例えばＣＮＴの直径、起毛の間隔、放出部の仕事関数などが考えられる。また、乱数の発生方法や分布関数は適宜、適当なものを選択する必要がある。なお、本実施の形態の手法は、レーザー照射で露出、起毛させた場合以外、例えば粘着テープをＣＮＴ印刷層に接触させて引き剥がすことにより、ＣＮＴを露出、起毛させた場合においても適用することができる。
【０１０６】
以上本発明につい説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではく、これらの可能な組合せ等を含むことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置の一部を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置の電子放出孔近傍の拡大斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置の電子放出孔近傍の拡大断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置のレーザー照射部近傍の拡大断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置のレーザー照射パターンを示す電子放出孔近傍の拡大平面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置の製造プロセスを説明するための引出電極形成後を示す拡大断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置の製造プロセスを説明するための電子放出孔形成後を示す拡大断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置の製造プロセスを説明するためのレーザー照射後を示す拡大断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置のレーザー照射前のＣＮＴ印刷層の表面状態を示す拡大断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置にレーザー照射を行う製造装置を示す構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置にレーザー照射を行う製造装置の電子放出部処理用マスクの拡大平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置にレーザー照射を行う製造装置の別の電子放出部処理用マスクの拡大平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態１における電界放出表示装置のレーザー照射後のＣＮＴ印刷層の表面状態を示す電子顕微鏡写真である。
【図１４】本発明の実施の形態１に関する実験におけるレーザー照射後のＣＮＴ印刷層の表面状態を示す電子顕微鏡写真である。
【図１５】本発明の実施の形態１に関する実験におけるレーザー照射後のＣＮＴ印刷層の表面状態を示すより高倍率において撮影した電子顕微鏡写真である。
【図１６】本発明の実施の形態１に関する実験におけるＣＮＴの起毛の高さとターンオン電界の関係を示した図である。
【図１７】本発明の実施の形態１に関する実験におけるレーザー照射のエネルギー密度とＣＮＴの起毛の高さの関係を示した図である。
【図１８】本発明の実施の形態１及び実施の形態２に関する実験における境界の長さとターンオン電界のばらつきの関係を示した図である。
【図１９】本発明の実施の形態２における電界放出表示装置の一部を示す斜視図である。
【図２０】本発明の実施の形態２における電界放出表示装置の電子放出孔近傍の拡大平面図である。
【図２１】本発明の実施の形態２に関する実験ににおけるレーザー照射後のＣＮＴ印刷層の表面状態を示す電子顕微鏡写真である。
【図２２】本発明の実施の形態２における電界放出表示装置に関する１つの電子放出孔内のレーザー照射のパターンの変形例を示す図である。
【図２３】本発明の実施の形態３における電界放出表示装置の電子放出孔近傍の拡大平面図である。
【図２４】本発明の実施の形態４における電界放出表示装置のレーザー照射のパターンを示す電子放出孔近傍の拡大平面図である。
【図２５】本発明の実施の形態１に関する実験における１画素当りの起毛の高さと数の分布を示す図である。
【図２６】本発明の実施の形態４に関する実験における１画素当りの起毛の高さと数の分布を示す図である。
【図２７】本発明の実施の形態４における電界放出表示装置のレーザー照射のパターンの変形例を示す電子放出孔近傍の拡大平面図である。
【図２８】本発明の実施の形態５における電界放出表示装置のカソード基板を示す斜視図である。
【図２９】本発明の実施の形態５における電界放出表示装置のカソード基板を示す断面図である。
【図３０】本発明の実施の形態６におけるレーザー照射を行うための電界放出表示装置の製造装置の構成図である。
【図３１】本発明の実施の形態６における電界放出表示装置の製造装置でのホログラム光学系により形成されるビーム強度分布の一例を示す図である。
【図３２】本発明の実施の形態７におけるレーザー照射を行うための電界放出表示装置の製造装置の構成図である。
【図３３】本発明の実施の形態８に関する実験におけるレーザーのエネルギー密度とターンオン電界の関係を示した図である。
【図３４】本発明の実施の形態９に関する実験におけるレーザーのエネルギー密度とターンオン電界の関係を示した図である。
【図３５】本発明の実施の形態１０に関する実験におけるレーザーのエネルギー密度とターンオン電界の関係を示した図である。
【図３６】本発明の実施の形態１０に関する実験におけるターンオン電界とばらつきσの関係を示した図である。
【図３７】本発明の実施の形態１１における電界放出表示装置の電子放出孔近傍の拡大断面図である。
【図３８】本発明の実施の形態１２および１３における電界放出表示装置のカソード基板の一部を示す拡大平面図である。
【図３９】本発明の実施の形態１２および１３における電界放出表示装置のカソード基板の一部を示す拡大断面図である。
【図４０】本発明の実施の形態１２および１３における電界放出表示装置のレーザー照射の方法を説明するための拡大断面図である。
【図４１】本発明の実施の形態１４における電界放出表示装置の設計方法における起毛の数の平均値とターンオン電界の平均値の関係を求めた例を示す図である。
【図４２】本発明の実施の形態１４における電界放出表示装置の設計方法における起毛の数の平均値とターンオン電界の標準偏差の関係を求めた例を示す図である。
【図４３】本発明の実施の形態１４における電界放出表示装置の設計方法における起毛の高さの標準偏差とターンオン電界の平均値の関係を求めた例を示す図である。
【図４４】本発明の実施の形態１４における電界放出表示装置の設計方法における起毛の高さの標準偏差とターンオン電界の平均値の関係を求めた例を示す図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１  カソード基板、２  蛍光面ガラス、３  ガラス板、４  電子放出孔、６  カソード電極、７  ＣＮＴ印刷層、８  引出電極、９  絶縁層、１０  レーザービーム、１５  電子放出部処理用マスク、１８  電子放出部処理用ホログラム光学系、１９  シランカップリング剤層。
【図１】
2005353576.tif 000009
【図２】
2005353576.tif 000010
【図３】
2005353576.tif 000011
【図４】
2005353576.tif 000012
【図５】
2005353576.tif 000013
【図６】
2005353576.tif 000014
【図７】
2005353576.tif 000015
【図８】
2005353576.tif 000016
【図９】
2005353576.tif 000017
【図１０】
2005353576.tif 000018
【図１１】
2005353576.tif 000019
【図１２】
2005353576.tif 000020
【図１６】
2005353576.tif 000021
【図１７】
2005353576.tif 000022
【図１８】
2005353576.tif 000023
【図１９】
2005353576.tif 000024
【図２０】
2005353576.tif 000025
【図２２】
2005353576.tif 000026
【図２３】
2005353576.tif 000027
【図２４】
2005353576.tif 000028
【図２５】
2005353576.tif 000029
【図２６】
2005353576.tif 000030
【図２７】
2005353576.tif 000031
【図２８】
2005353576.tif 000032
【図２９】
2005353576.tif 000033
【図３０】
2005353576.tif 000034
【図３１】
2005353576.tif 000035
【図３２】
2005353576.tif 000036
【図３３】
2005353576.tif 000037
【図３４】
2005353576.tif 000038
【図３５】
2005353576.tif 000039
【図３６】
2005353576.tif 000040
【図３７】
2005353576.tif 000041
【図３８】
2005353576.tif 000042
【図３９】
2005353576.tif 000043
【図４０】
2005353576.tif 000044
【図４１】
2005353576.tif 000045
【図４２】
2005353576.tif 000046
【図４３】
2005353576.tif 000047
【図４４】
2005353576.tif 000048
【図１３】
2005353576.tif 000049
【図１４】
2005353576.tif 000050
【図１５】
2005353576.tif 000051
【図２１】
2005353576.tif 000052